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3、自增濕減少空間

加濕對燃料電池非常重要，質子交換膜只有在充分濕潤的時候，才能正常工作，否則將會導致燃料電池內阻迅速上升，發電效率降低。因此，監控電池內阻，也是判斷燃料電池內部濕度的重要手段。

但是豐田去掉了加濕器，實現了自增濕，為空氣壓縮機等其他輔件騰出了更多的空間。那么實現自增濕的必要條件是什么？

首先，電堆里不能太干。我們以豐田的電堆為例，看看它的電堆是怎么支持自增濕的。第一，豐田使用了更薄的質子交換膜，這讓水分可以在陽極和陰極之間“自由補充”。避免電極一側過干，另一側過濕的問題出現。第二，在電堆結構上，陽極和陰極的進出氣口采取交叉設計。這讓出口處生成的水分可以為對側入口處更好的加濕。避免電極同一側入口處過干，出口處過濕的情況出現。

圖5 豐田燃料電池雙極板的結構設計

其次，電堆里不能太濕。如果太濕，過飽和的水汽則會液化，嚴重的會導致流道的“栓塞”。造成反應氣體不能達到三相界面，而造成電池性能迅速衰減，這種衰減甚至是不可逆的。如果“栓塞“發生在氫氣端則會導致被堵的地方由于沒有氫氣可”燒“，赤裸裸地燒掉另外一種燃料——還記得作為催化劑載體的碳嗎？為了避免這種情況的發生，豐田在膜電極中添加了其他成分以提高“抵抗力”。同時，在陰極推出了3D網狀流場結構，進一步實現汽水分離。其實3D流場本質上并非什么新鮮玩意，但是豐田的創新之處，在于通過精密加工，對微觀結構實現了精確控制，這點是豐田的“陽謀”之一。

最后，電堆的反應會產生水，因此，往往在電堆入口處是最容易發生“過干”問題的地方。豐田在系統上輔助增加了這個區域的濕度控制。在陽極，豐田利用氫氣循環泵收集水分予以補充；在陰極，則通過增加冷卻液的流量，降低溫度，以減少此處的蒸發量。

圖6 豐田電堆自增濕原理示意圖

自增濕很難實現嗎？難！

因為電堆內部溫度和濕度，維系著體系中多組平衡關系。而在電極表面溫度和濕度的均勻性，在實際產品中更是難于檢測。這需要大量的實驗室數據積累，我個人認為這至少需要上萬小時的實驗數據積累。另外，因為燃料電池的工作溫度（質子交換膜燃料電池工作溫度一般不高于100℃）遠低于發動機的工作溫度，且熱量要靠換熱器解決，而非像燃油車一樣隨尾氣排掉。這就意味著提高燃料電池工作溫度，是減小系統換熱功率，增加燃料電池系統效率的有效方法。但溫度升高會讓更多的水分因為蒸發隨氣體流失，濕度控制難度進一步增加。

小結一下：

加濕器是車用燃料電池系統中的大累贅，因此，能實現自增濕是對車用燃料電池電堆的技術要求。而豐田在這一方面可謂獨步天下。

4、電電混動系統模塊化應用

豐田在燃料電池方面的厲害之處，還在于實現了模塊化應用，以應對更大功率場景的需求。

電池系統的模塊化設計，非常常見。而客觀的講，燃料電池更是非常適合模塊化設計。因為相比其他電池，燃料電池的優勢在于：功率和容量相互獨立。這就讓燃料電池模塊化的形式更為靈活。而鋰電池要想實現功率和容量的配比，則要從電芯設計制造時開始考慮。

豐田最新推出的燃料電池大巴SORA就充分體現了燃料電池模塊化的設計思路。在這款車型上，豐田繼續沿用它熟悉的電電并聯混動系統。而所使用電機（Motor）、功率控制單元（PCU）和蓄電池（Battery）、甚至儲氫灌與Mirai使用的規格基本相同。

圖7 SORA布置示意圖

圖8 SORA與Mirai三電結構對比示意圖

圖7和圖8，分別展示了SORA整車系統的布置示意圖和三點結構圖。從總體上看，SORA的結構就是兩款獨立的“Mirai系統”并聯到變速驅動橋上。但在細節上，又有一些區別。首先，從功率單元上，SORA對每條獨立的子系統分別增加了一組蓄電池。這說明系統的功率調節難度相比Mirai更大。其次，在功率單元和容量單元的配比上，每條獨立的系統平均配裝了5個氫氣瓶，這種“肆意”增加容量而幾乎不增加控制難度的情況，正是燃料電池系統的優勢所在。

模塊化設計雖好，但也有基本要求：因為一般情況下，模塊化只能減少設計和制造成本，并不能減少材料的成本。因此，單一模塊應是成本與性能控制最為平衡的設計。如果認同“燃料電池更適合大功率長續航的大型、重型車輛”，從我個人的建議：單模塊設計不宜過小。那么電堆也就不宜過小。

總結：

雖然，我不敢確認SORA模塊化系統一定是成熟或者成功的，但是在整套系統的進化過程中，確實能清楚的看到豐田前進的軌跡。電堆才是燃料電池系統的核心，每個電堆有自己個“個性”，需要“量體裁衣式”的開發系統。

現在，中國無疑要大力發展氫燃料電池了，而豐田是橫亙在我們面前的巨人。由于豐田的開放姿態，我們也許有機會站在“巨人的肩膀“之上。不過，別忘了回頭看看巨人留下的腳印。這些腳印，值得我們敬畏并學習。（完）